基于全新径向基函数二维插值的时间高效超声局部显微技术

简介

超声波技术是一种主要的医学影像技术，已被广泛应用于可视化皮下体结构如器官、肌肉和动脉中，原因在于其安全性、成本效益和非侵入性。然而，传统超声波成像的性能受限于衍射极限，使得其空间分辨率有限。当频率升高时，空间分辨率会改善，但射束的穿透深度会降低，导致空间分辨率与穿透深度之间存在权衡。

在过去的十年中，超声波定位显微技术（ULM, Ultrasound Localization Microscopy）解决了上述权衡问题。ULM通过精确定位静脉注射的小气泡（MBs, Microbubbles）生成超高分辨率（SR, Super-Resolved）图像。这些SR图像为理解和诊断对血管结构或血流有影响的各种疾病，如癌症、中风和动脉硬化，提供了不可或缺的信息。然而，目前ULM的临床应用仍然面临两个主要障碍：需要低密度的小气泡和长时间的数据获取，以及高帧率的需求。

为了降低数据获取时间，提高临床应用的可能性，本研究提出了一种基于全新径向基函数（RBF, Radial Basis Functions）二维插值的时间高效超声局部显微技术（teUlm）。该技术旨在通过2D插值来降低获取超高分辨率图像时对高帧率的需求。本文将在多个体内数据集上验证该技术的有效性。

研究来源

本文由以下作者合作完成： - Giulia Tuccio（Student Member, IEEE） - Sajjad Afrakhteh - Giovanni Iacca（Senior Member, IEEE） - Libertario Demi（Senior Member, IEEE）

论文于2024年5月发表在IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 43, No. 5上。

研究流程

a）研究工作流程

1. 数据获取：首先，通过对高帧率ULM数据应用下采样（DS = 2, 4, 8, 和10）来模拟低帧率的数据获取。

2. 数据插值：通过提出的二维径向基函数（RBF）插值方法对数据进行上采样，以重建缺失帧。

3. 预处理与过滤：预处理使用奇异值分解（SVD）空间-时间过滤器以区分小气泡信号与周围组织信号。

4. 小气泡检测与定位：基于高强度像素值进行小气泡检测，使用2D多变量高斯分布方法进行定位。

5. 小气泡追踪与累积：通过修改的二部追踪算法进行小气泡的帧对帧配对，最终获得超高分辨率图像。

b）主要研究结果

1. 数据集：使用四个体内数据集(A：大鼠大脑；B：大鼠肾脏；C：大鼠肿瘤；D：大鼠大脑栓剂)验证teULM的有效性。

2. 结果评估：对比通过teULM和标准ULM得到的SR图像，结果表明teULM在较低帧率（如100Hz）下仍能有效恢复血管结构。通过多种评价指标（均方根误差RMSE、dice系数、保持轨迹百分比和饱和度）对相应结果进行量化评估。

3. 插值方法有效性：达到恢复缺失数据的目的，尤其在较高的下采样率下（如DS=10）。

c）结论

研究表明teULM在数据获取帧率比标准ULM低一个量级（从1kHz到约50Hz）的情况下仍然能够生成准确的SR图像。这种技术将有助于超声定位显微技术的临床应用，因为标准临床设备的帧率较低。结果证实，采样率降低到50Hz时，teULM仍能够生成高质量的SR密度图；而想要生成一致的速度图，则需要稍高的帧率（250Hz）。

d）研究亮点

• 创新方法：提出的基于径向基函数二维插值的teULM管道，显著降低了超高分辨率图像获取对高帧率的需求。
• 广泛验证：通过多个体内数据集验证了新方法的有效性，显示了其在复杂生理结构中的应用潜力。
• 多重评价指标：使用RMSE、dice系数、保持轨迹百分比和饱和度等多个指标全面评价并验证了新方法的效果。

e）其他有价值的信息

• 研究局限性：本文只测试了二维数据集，未来可扩展至三维数据集以便进一步促进临床应用。
• 运动影响未探讨：对于更高的下采样率，运动可能会导致信号路径和目标定位的误差。未来研究可以考虑引入运动补偿技术。

结论

本文提出了一种时间高效的超声局部显微技术，通过降低数据获取帧率，实现了超高分辨率图像的生成。结果表明，在帧率降至50Hz的情况下，依然能生成高质量的SR密度图。虽然在流速估计方面仍需进一步提高，但这一研究为超声局部显微技术的临床过渡提供了重要的基础。标记文档和问题来源。